南水北调中线穿黄隧洞安全监测系统设计研究

靳玮涛

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院，西安 710043)

文章编号：1006—2610(2015)01—0096—03

南水北调中线穿黄隧洞安全监测系统设计研究

靳玮涛

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验检测分院，西安 710043)

以隧洞充水试验为案例，分析了隧洞在充水期间的安全监测情况。针对监测仪器引线较多的实际情况提出了水下集线器的解决办法；针对环形锚索结构特点，设计出了新型薄壁式矩形锚索测力计，适用于隧洞及其他环形结构物的预应力锚索荷载的测量。

南水北调;穿黄隧洞;安全监测;下水集线器

穿黄工程——大型水工隧洞是南水北调中线工程的关键性、控制性项目，采用盾构法在黄河底软土地层中穿越，此双层复合式衬砌形式为中国首例，结构新颖，工艺复杂，备受专家们关注。鉴于穿黄隧洞在施工期和运行期的安全状况引人注目，为保障工程安全，使隧洞设计、施工更合理，提升创新结构的技术和理论水平，确保工程安全顺利实施及安全运行，并随时了解隧洞的安全状况，需设置一套合理、可行、先进、高效、适用的工程安全监测系统，而工程安全监测系统的建立，又必须有一套科学的设计方案，因此需对穿黄工程安全监测系统作深入系统的研究。

1 工程概况

穿黄工程包括南岸明渠、穿黄隧洞和北岸明渠等单位工程，线路总长19.3 km，设计流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。穿黄隧洞总长4.25 km，包括邙山隧洞段0.8 km和过河隧洞段3.45 km。穿黄隧洞工程采用双洞平行布置，双洞中心线距离28 m。隧洞掘进采用泥水平衡盾构法施工，开挖直径9.03 m。隧洞采用内外双层衬砌结构，外衬采用C50钢筋混凝土预制管片拼装而成，管片外径8.7 m，内径7.9 m，管片厚度40 cm，管片环宽1.60 m，采用7等分管片分块形式。内衬为后张法有粘结预应力混凝土结构，C40W12F200预应力混凝土，衬砌厚度45 cm，标准分段长度9.6 m，分段接缝采用紫铜片止水，底板设3.1 m宽平台。预应力锚索间距为45 cm，每束由12根预应力钢绞线集束而成。隧洞共分为460段。内外衬之间设有1层两布一格栅排水垫层，每间隔4.8 m设排水花管，将渗水引排到底板预埋的3根集中排水管道，并通过北岸竖井抽排到北岸出口建筑物。

2 安全监测难点

隧洞内监测项目较多，配套较齐全，累计各种安全监测仪器总数1 275支，主要布置于隧洞的进出口段、地层变化洞段、主河槽洞段和北漫滩洞段，所有仪器的电缆都需分别牵引到隧洞进出口的地面监测站内，这样将在洞口段出现电缆较集中，电缆总截面面积较大，不仅导致引线施工麻烦等施工问题，而且单根电缆引线较长(最长引线从测点至观测站处长约2.6 km，而且电缆将长期浸泡在水中)，要将如此众多的电缆在有限的空间内分别牵引到隧洞的进口，并确保安全、准确地传输监测信息，关系到能否实现有效的安全监控。现将穿黄隧洞安全监测技术重点和难点归纳如下：① 各测点实现自动化监测和数据管理与分析；② 工程安全辅助决策支持系统的建立；③ 运行期各仪器、电缆接头在水中运行的可靠性；④ 施工期各电缆接头牵引强度及防水技术；⑤ 由于在薄壁预应力衬砌内布置及引出仪器与电缆，需考虑如何减少对衬砌结构的削弱；⑥ 仪器现场埋设与保护，需保证提高仪器的完好率。

3 主要监测仪器

上游过河段隧洞139个监测断面，邙山段4个监测断面，共计143个监测断面；下游过河段隧洞80个监测断面，邙山段2个监测断面，共计82个监测断面。

上游隧洞有内观仪器800支、外观测点405个，下游隧洞有内观仪器475支、外观测点391个，详见表1。其中有580支仪器电缆已引入隧洞进口建筑物观测房；有695支仪器电缆已引入隧洞出口建筑物观测房。

表1 穿黄隧洞内外观测点清单表

主要监测项目:隧洞渗水压力监测(渗压计)、隧洞接缝变形监测(测缝计) 、隧洞沉降监测(垂直位移测点) 、隧洞收敛变形监测(收敛测点) 、混凝土应力应变监测(钢筋计、应变计) 、隧洞外土压力监测(土压力计) 、隧洞环锚锚固力监测(锚索测力计) 。

4 隧洞数据采集电缆牵引方式优化

4.1 水下集线器的提出

原设计阶段对安装在隧洞内的各监测仪器均将其电缆从洞内埋设位置直接引出南岸或北岸洞口，这样将在洞口段出现电缆较集中，电缆总截面面积较大，导致引线施工麻烦等施工问题。其后，为解决此类问题，采取水下集线器的接线方式，即以洞内12支仪器为1组，每支仪器为4芯电缆，将其电缆接入洞内水下集线器输入端，集线器输出端为18芯总线电缆，集线器内电缆均是芯对芯连接，其输入端和输出端电缆芯线数一样，并一一对应，总线电缆通过衬砌底部排水管引出洞口。

4.2 水下集线器优化目标

(1) 耐高压，防水密封效果好，结构简单牢固，连接安装方便，可直接安设在水下工作，可增强监控系统的可靠性和抗拉强度。

(2) 减少电缆的根数和总截面积，在减少工程造价的同时还应保证监测仪器的正常施工和运行。

(3) 体积小，占用空间少，便于现场安装和长期运行，应特别适用于在水利工程范围使用。

4.3 水下集线器结构优化

图1 水下集线器图

优化后的水下集线器结构详见图1，包括圆筒形的PVC集线器外壳，在集线器外壳的一端安设有输入端盖，集线器外壳与输入端盖配接处及4芯电缆穿芯卡套与输入端盖之间均用密封粘合剂进行密封粘合，输入端盖上设置有4芯电缆穿芯卡套，4芯电缆穿芯卡套的数量是12个，沿输入端盖端面周向布设；在集线器外壳的另一端安设有输出端盖，集线器外壳与输出端盖配接处及18芯电缆穿芯卡套与输出端盖之间均用密封粘合剂进行密封粘合，输出端盖上设置有多芯电缆穿芯卡套，l8芯电缆穿芯卡套设置1个，安设在输出端盖的端面，电缆芯数为18。集线器外壳上与输入端盖、输出端盖配合处在圆周方向上分别均匀分布的设置有4个沉头螺钉。输入(出)端盖与4芯和18芯电缆穿芯卡套均是丝口连接并用环氧贴合。集线器外壳输入端盖输出端盖4芯电缆穿芯卡套、18芯电缆穿芯卡套均是用PVC材料制成。

4.4 接线方式优化

集线器电缆接线时，其中8支传感器接入2芯(不测温)，另4支传感器接入4芯(测温)，输出电缆为18芯。所有电缆芯线的连接均采用对接，使用热缩管绝缘。 接线如图2所示。

图2 18芯电缆接线图

4.5 优化后电缆牵引方案

穿黄隧洞监测仪器电缆的牵引以隧洞中间为分界线，将隧洞分为2个区，以北的称为北洞段，以南的称为南洞段。北洞段所有仪器电缆均向出口方向牵引，南洞段所有仪器电缆均向进口方向牵引。在各洞段，当各监测断面仪器随混凝土衬砌埋设安装完后，将其电缆顺衬砌环向钢筋引至隧洞底部，并从底部混凝土中就近引至监测孔内。当隧洞内衬施工全线基本贯通时，再将各监测孔内的电缆通过专用水下集线器接上18芯电缆，在隧洞底部排水管内穿引电缆，直至引出隧洞出口或进口。

5 薄壁式矩形环锚测力计专利

随着中国经济社会的快速发展，用于各土建工程的环形预应力结构日益增多，这些环形结构在工程中采用预应力锚索加固时，为了观测预应力锚固效果和预应力荷载的形成与变化，需采用锚索测力计进行监测。一般常用的锚索测力计为圆筒形锚索测力计。

穿黄隧洞内衬采用现浇预应力混凝土结构，其特点为预应力吨位大、锚索密、施工空间小、安全要求高、为隐蔽工程等。由于穿黄工程输水隧洞的受力情况在施工期和运行期需要长期监测，而目前国内外尚无适应本工程高密度、小空间的预应力测量装置，针对其内衬混凝土环锚结构的特点，长江水利委员会设计院专门设计了一种适应其监测要求的薄壁式矩形环锚测力计(专利号：L2008 20190687.X),外观见图3。该测力计已成功在穿黄隧洞内衬1∶1预应力混凝土环张拉锚固模型试验中应用。

图3 薄壁式矩形锚索测力计图

该模型纵向长9. 6 m，内衬预应力采用环锚(HM)预应力系统，单束锚索由12根钢绞线集束组成，锚索间距45 cm，借助弧形垫座将锚索导出预留槽外，只用1台千斤顶实现无台座张拉。其中，薄壁式矩形环锚测力计安装在工作锚板与专用工具锚板之间。薄壁式矩形环锚测力计特别适用于隧洞及其他环形结构物的预应力锚索荷载的测量。

6 隧洞充水试验期间的安全监测

从隧洞已安装埋设的渗压计、测缝计、钢筋计、应变计等仪器充水期的观测数据成果分析来看，各仪器测值变化量和变化速率均较小。

(1) 隧洞典型断面钢筋计测值变化量均小于10 MPa 。

(2) 隧洞典型断面应变计测值变化量均小于100 με。

(3) 隧洞典型断面测缝计变化量均小于0.4 mm(外衬管片与内衬之间)。

(4) 隧洞其余部位测缝计变化量均小于2 mm(纵向水流方向内衬之间接缝)。

(5) 上游隧洞渗压计在85 m高程水位时最大测值51.08 kPa。

(6) 下游隧洞渗压计在85 m高程水位时最大测值60.99 kPa。

总之，各仪器测值变化量和变化速率均较小，仪器监测数据能真实反应出隧洞的实际受力及变形状态，符合实际规律，隧洞结构稳定。下一步将继续严格按照观测频次和观测技术要求完成隧洞二次充水试验期间的各项安全监测工作。

7 结 语

通过对南水北调中线穿贯黄工程安全监测系统的深入研究，针对安全监测技术重点和难点，提出了水下集线器和薄壁式矩形环锚测力计等项新技术和新方法。各仪器经隧洞充水试验期间的安全监测运行正常。本研究成果希望对其它类似工程安全监测项目具有指导意义。

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Study on Design of Safety Monitoring System for Tunnel Passing Under the Yellow River,Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

JIN Wei-tao

(Engineering Experiment and Inspection Institute, POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710043, China)

With the case of the tunnel to be filled with water, the safety monitoring of the tunnel during the water filling is analyzed. Because there are lots of leads from the monitoring instruments, collector under water is proposed. Aiming at the characteristics of the ring anchor cable, the new thin-wall rectangular dynamometer for the anchor cable is designed, which is suitable for metering the prestressed anchor-cable load in tunnels and other ring structures.

south-to-north water diversion; tunnel passing under the Yellow River; safety inspection; collector under water

2014-05-03

靳玮涛(1983- )，男，西安市人，工程师，注册一级建造师，主要从事水利水电安全监测工作.

U456.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.025